窗戶在我們的住宅中扮演著多重關鍵角色，為我們的空間供應照明、隔熱以及通風功能的同時，也供應了戶外視野和防護功能。智能窗戶，或者使用太陽能電池技術將陽光轉化為電能的窗戶，為利用窗戶作為能源供應了額外的機會。

然而，將太陽能電池集成到窗戶中，同時還要平衡窗戶的其他復雜且經(jīng)常相互沖突的功能，是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。例如，要在四季更迭的過程中兼顧“光照度偏好”和“能量收集目標”，就要對材料設計采用復雜的戰(zhàn)略方法。

普林斯頓大學開發(fā)的智能窗戶，由透明太陽能電池供電，能控制進入室內的可見光與紅外線。

創(chuàng)新

近日，來自美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室、西北大學、芝加哥大學和威斯康星大學密爾沃基分校的科學家們將太陽能電池技術與一種新型優(yōu)化方法相結合，開發(fā)出一個智能窗戶原型，最大限度地滿足各種設計標準。

智能窗戶同時采集和調節(jié)太陽能。

該優(yōu)化算法使用綜合的物理模型和先進的計算技術，最大限度地提高整體能源利用率，同時在地點變化和四季更迭中平衡建筑物的溫度需求和照明需求。

阿貢實驗室科學家、芝加哥大學普利茲克分子工程學院皇冠家族教授JunhongChen表示：“這個設計框架是可定制的，幾乎可以應用于全世界的任何建筑。無論你是想最大限度地新增室內的陽光量，還是最低限度地供暖或制冷，這種強大的優(yōu)化算法都能生成符合用戶需求和偏好的窗戶設計。”

技術

科學家們展示了用一種整體性方法來設計窗戶，以最大限度地提高建筑物的整體能效，同時兼顧照明和溫度偏好。

美國西北大學工程學院工程設計系威爾遜-庫克教授WeiChen表示：“我們可以調節(jié)室內陽光，以保證所需的光照度，同時管理建筑用于供暖和制冷的能量。此外，智能窗戶中的太陽能電池會捕獲沒有通過的陽光，并轉化為電能?！?/p>

這種方法被稱為“多準則優(yōu)化”，調整窗戶設計中太陽能電池層的厚度，以滿足用戶需求。例如，為了在夏季減少建筑制冷所需的能量，最佳的窗戶設計可能會盡量減少通過的光線數(shù)量和種類，同時保持室內所需的光照度。另一方面，當冬季要優(yōu)先考慮儲能時，這個設計可能會最大限度地新增通過的陽光量，從而減少建筑物加熱所需的能量。

WeiChen表示：“我們不是只關注太陽能電池的發(fā)電量，還要考慮整個建筑的能耗，看看如何才能最好地利用太陽能，將能耗降到最低?！?/p>

在某些場景中，例如，讓更多光線通過窗戶，而不是由太陽能電池轉化為電能，以減少建筑物的照明和供暖所需的電力，可能會更加節(jié)能。

為了確定最佳設計，該算法結合了基于物理學的綜合模型，該模型是有關光與智能窗戶中的材料之間的相互用途，以及這些過程是如何影響能量轉換和光線傳輸?shù)?。該算法也考慮到在不同地理位置，太陽在一天（和一年）中照射到窗戶上的各種角度。

WeiChen表示：“我們創(chuàng)建的模型可以通過模擬生物進化的算法，來探索數(shù)百萬種獨特的設計。在基于物理學的模型之上，該算法使用了類似繁殖和基因突變的計算機制，以確定每個設計參數(shù)在特定場景中的最佳組合。”

為了證明達到這種定制程度的智能窗戶的可行性，科學家們制作了一個面積只有幾平方厘米的這種窗戶的小原型。

該原型由幾十層不同的材料組成，這些材料可以控制通過的光線的數(shù)量和頻率，以及太陽能轉化為電能的量。

一組由一種叫做“鈣鈦礦”的材料制成的層，組成了窗戶的太陽能電池，它可以采集太陽光來進行能量轉換。這種窗戶的原型還包括一組稱為“納米光子涂層”的層，由西北大學麥考密克工程學院機械工程系副教授ChengSun及其研究小組開發(fā)。該涂層可以調整通過窗戶的光線頻率。

每層厚度為數(shù)十微米，比一粒沙子的直徑還小?？茖W家們?yōu)檫@些層選擇了一種非周期性的設計，這意味著每一層的厚度都不同。由于太陽光對窗戶的照射角度在一天以及一年中都會出現(xiàn)變化，因此非周期性的設計使窗戶的性能可以根據(jù)用戶偏好而變化。

下圖為屋頂安裝的基于非周期性納米光子涂層和匹配的半透明鈣鈦礦太陽能電池的智能窗戶的光與熱并行管理的概念示意圖：

（A）夏季典型的日照條件

（B）冬季典型的日照條件（C）由非周期性納米光子涂層和匹配的半透明鈣鈦礦太陽能電池共同組成的智能窗戶結構。太陽能電池由140納米氟摻雜的氧化錫（FTO）電極、20納米濃密的TiO2電子阻擋層、40納米鈣鈦礦層、30納米spiro-OMeTAD空穴阻擋層、10納米銀背電極組成。10層光子結構由SiO2層與TIO2層交替組成，其厚度有待優(yōu)化。

Sun表示：“層厚度的變化是根據(jù)到達窗戶的陽光特性的廣泛變化而優(yōu)化的。這使我們能夠系統(tǒng)地在夏季允許較少的紅外線透射，而在冬季允許更多的紅外線透射，以節(jié)省用于溫度調節(jié)的能量，同時優(yōu)化可見光透射，以達到室內照明和能量采集的目標。”

科學家們?yōu)轼P凰城一棟2000平方英尺的單層住宅，優(yōu)化了本次研究中使用的原型。基于窗戶原型的實驗特性，科學家們計算得出，相比于領先的商用窗戶技術，每年可節(jié)省大量的能量。計算使用了Energyplus建筑模型，它是一個由美國國家可再生能源實驗室開發(fā)的軟件，該實驗室是美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的一個實驗室，它可以評估隨時間變化而出現(xiàn)的真實電力消耗。

科學家們用來生產(chǎn)窗戶原型的合成方法模仿了常用的工業(yè)級制造工藝，并且科學家們認為，這些現(xiàn)有的商用工藝能將窗戶原型成功地放大至全尺寸。

未來的考慮包括以一種靈活的形式開發(fā)同樣的技術，以便智能窗材料可以通過改造以覆蓋原有的窗戶。